DE1498151A1 - Circuit arrangement for integrating unique, fast-running processes - Google Patents
Circuit arrangement for integrating unique, fast-running processesInfo
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Description
WPLrINO-RUDOLFBJBKACH U QÖTTINGEN-POTTERWEQ 6WPLrINO-RUDOLFBJBKACH U QÖTTINGEN-POTTERWEQ 6
! TaEFON 57323! TaEFON 57323
Schaltungsanordnung zur Integration einmaliger, schnellverlauf ender VorgängeCircuit arrangement for the integration of unique, rapid processes
Auf manchen Gebieten der Meßteohnik besteht die Notwendigkeit, eine Integration der Meßgrößen über bestimmt· Bereiche, ZoB* Zeit- oder Wegabschnitte, durchzuführen, um das gesuchte Meßergebnis zu erhalten* Als Beispiele hiezu seien genannt: Die Berechnung des einem Geschoß erteilten Gesamtimpulses durch Integration des Druckes nach der Zeite In gleicher Weise erhält man durch Integration die Verformungsarbeit aus Kraft und Weg, die Energie aus leistung und Zeit, die elektrolytisch umgesetzten Mengen aus Stromstärke und Zeit, die Meng· Umgesetzter radioaktiver Substanzen, die Schwärzung und viel·In some areas of measurement technology there is a need to integrate the measured variables over certain areas, ZoB * time or distance segments, in order to obtain the measurement result sought Pressure according to the time e In the same way, one obtains the work of deformation from force and path, the energy from power and time, the electrolytically converted amounts from current strength and time, the amount of converted radioactive substances, the blackening and much
BADBATH
909803/0784909803/0784
ähnliche Meßwerte,. wie z.B. die trichromatischen Werte bei der Farbmessung»similar measured values. such as the trichromatic values at the color measurement »
Die Integration mittels eines der bekannten Geräte-, z.B· ..eines Miller-Integrators, liefert bei einmaligen und sehr schnell verlaufenden Vorgängen nur ungenügende Ergebnissen, und erfordert zusätzlich eine nachträgliche Auswertung oder Bewertung der erhaltenen Integralkurve, So muß in diesen lallen auf die Möglichkeit des Integrierens durch Flächenbestimmung, (Auszählen, Auswägen, Planimetrieren) bzw» einer graphischen Integration, oder auf ein numerisches Verfahren (Simpsonsche Regel), das auf einer quadratischen Interpolation beruht, zurückgegriffen werden. Die hiefür erforderlichen Aufzeichnungen (Oszillogramme) der zu integrierenden Funktion und das nachfolgende Integrationsverfahren sind mit einem hohen Zeitaufwand und, vielfach auch mit beträchtlichen Materialkosten verbunden» Besondere Schwierigkeiten bestehen auch bei den meisten bekannten elektrischen Integrationsverfahren, wenn nicht nach der Zeit, sondern nach irgend einer von der Zeit abhängigen Veränderlichen integriert werden soll. Eine Ausnahme hiezu bietet lediglich eine bekannte Integrieranlage, die aber mit mechanischen Integrationsgetrieben arbeitet»The integration by means of one of the well-known devices, e.g. a Miller integrator, returns for one-off and very fast processes only inadequate results, and additionally requires a subsequent evaluation or assessment of the integral curve obtained, so must in these appeal to the possibility of integrating by determining the area, (Counting, weighing, planimizing) or »a graphic integration, or a numerical method (Simpson's rule), which is based on a quadratic interpolation based, can be used. The records required for this (Oscillograms) of the function to be integrated and the subsequent integration process are with a high expenditure of time and, in many cases, considerable material costs related »There are also special difficulties with most of the known electrical integration methods, if should be integrated not according to time, but according to some variable dependent on time. An exception only a well-known integration system offers this, but it works with mechanical integration gears »
Die Erfindung beseitigt die genannten Schwierigkeiten .durch die Schaffung einer Schaltungsanordnung, die er ermög- ■:■'.[ licht, das numerische Integrationsverfahren auf elektronischer , Basis rasch und sehr genau bei geringstem Schal tungs aufwand - * anzuwenden» Diese Schaltungsanordnung kennzeichnet sich er— findungsgemäß dadurch, daß ein frequenzmodulierbarer Sägezahn-The invention eliminates the difficulties referred .by creating a circuit which he enables ■:. ■ '[light, the numerical integration methods to electronic, base or no maintenance quickly and accurately with minimal scarf - * apply "This circuit is characterized it - According to the invention in that a frequency-modulatable sawtooth
90 9890 98
14981611498161
generator vorgesehen ist, der vorzugsweise .eine an sich bekannte Yierschiehtdioden-SGhaltung mit einem !Transistor als · Iiadewiderstand enthält, nand daß die Sägezahnfreguenz mittels des regelbaren Arbeitswiderstandes des Transistors einstell·- bar und durch, eine an den Eingang des iransistors abgegebene Zeitfunktion beeinflußbar ist, daß dem Sägezahngenerator sin Impedanzwandler und diesem ein an sich bekannter Spannungs-« -komparator zum Vergleich der periodischen SageZahnspannung mit der zu integrierenden Spannung nachgeschaltet ist, und daß dem Spaimungskomparator ein ÜND-Gatter folgt, an dessen zweitem Eingang eine frequenzkonstante Spannung liegt, die mittels der frequenz- und breitenmodulierten Impulsspannung des Spannungskomparators in Impulskolonnen über das TTND^Satter einem diesem nachgeschalteten Digitalzähler zuführbar ist, wobei Integrationsgrenzen in Form eines Eechteokimpulees über das Tor des Digitalzählern oder einen dritten Eingang des ÜUE-Gatters einleitbar sind. Mit dieser Schaltungsanordnung wird in ähnlicher Weise wie beim nw&erischen Verfahren auf elektronischem Wege die von der Kurve eingesehlossene Jläehe in gleiche Ilächenstreifen zerlegt« Die Intfgratioa erfolgt durch Bestimmung der Amplituden der Flächenstreifen und anschließende Summenbildung zwischen den. vorgegebenen orenZen. Die Zerlegung der yon der zu integrierenden Kurve y = f (x) eingeschlossenen Fläche in Fläoihenstoeifen ejpfolgt durch den Sägezahngenfiratpr, wobei die durch die Folgefregufaz des Säge<zahngenerators gegebene frei te der Flächenstreifen in gewiese» durch ire^änderung des Innenwideretandes 4es Transistorsgenerator is provided, which preferably. a known Yierschichtdiode-SG storage with a! transistor as Iiadewiderstand contains, nand that the sawtooth frequency by means of adjustable working resistance of the transistor - cash and through, one delivered to the entrance of the iransistor Time function can be influenced that the sawtooth generator sin Impedance converter and this a known voltage « -Comparator for comparing the periodic Sage tooth tension is connected downstream with the voltage to be integrated, and that the Spaimungskomparator is followed by a UND gate, on whose the second input is a frequency-constant voltage that by means of the frequency and width modulated pulse voltage of the voltage comparator in pulse columns via the TTND ^ Satter can be fed to a digital counter connected downstream, with integration limits in the form of a real-time pulse the gate of the digital counter or a third input of the ÜUE gate can be initiated. With this circuit arrangement appears in a similar way to the nw & erischen method electronically the Jläehe enclosed by the curve divided into equal strips of area «The intfgratioa takes place by determining the amplitudes of the surface strips and then Sum formation between the. specified orenZen. The decomposition of the yon of the curve to be integrated y = f (x) enclosed area in Fläoihenstoeifen ejpffollowed by the Sägezahngenfiratpr, whereby the through the subsequent frequency of the saw <tooth generator given free te of the surface strips in meadows » by changing the internal resistance of the 4th transistor
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
und mit dessen regelbarem Arbeitswiderstand eingestellt werden kann·and adjusted with its adjustable working resistance can be·
Erfolgt die Integration nach, einer beliebigen Zeitfunktion, so kann diese an den Eingang des Transistors gegeben und damit die Streifenbreite in die entsprechende Abhängigkeit von der Zeitfunktion gebracht werden» Da die Sägezahnspannung bei der erfindungsgemäßen Schaltung über einen Impedanzwandler an den Spannungskomparator gelangt, wird jede unerwünschte Frequenzbeeinflussung vermiedene Als Spannungskomparator kann im einfachsten Fall ein Schmitt-Trigger Verwendung finden, wobei die Rückstellung durch die ' abfallende Planke des Sägezahnes erfolgte Die so erhaltenen Reohteokimpulse entsprechen in ihrer Breite jeweils der Amplitude der zu integrierenden Funktion. Der Breite der Impulse entspricht aber auch die Anzahl der an den Zähler gelangenden frequenzkonstanten Zahlfrequonz. Der Zähler zählt summierend die Impulskolonnen und bildet damit das Integral der funktion. Die Integrationsgrenzen werden durch den Torimpuls eingeführt, der den Zähler während dieser Zeit für den Zählvorgang freigibt. Bei Zählern, welche keine Torsteuerung besitzen, kann der Torimpuls auch an den dritten Eingang des UND-Gatters gegeben werden,,If the integration takes place according to any time function, so this can be given to the input of the transistor and thus the strip width in the corresponding dependency be brought by the time function »Since the sawtooth voltage in the circuit according to the invention over an impedance converter reaches the voltage comparator, any undesired frequency influencing is avoided as In the simplest case, the voltage comparator can be a Schmitt trigger Find use, whereby the provision by the ' sloping plank of the sawtooth took place Amplitude of the function to be integrated. The width of the However, pulses also corresponds to the number of frequency-constant numerical frequencies reaching the counter. The counter counts adding up the impulse columns and thus forms the integral of the function. The integration limits are determined by the Gate pulse introduced, which the counter during this time for the Enables counting process. For meters that do not have a gate control, the gate pulse can also be sent to the third input of the AND gate are given,
Durch geeignete Wahl der Sägezahnfrequenz und der Zählfrequenz kann eine sehr große Genauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen erreicht werden. Besonders bei langsamen Vorgängen ist das Auflösungsvermögen in erster linie durch das '■ Speichervermögen des*· verwendeten Digitalzählers begrenzt·With a suitable choice of the sawtooth frequency and the counting frequency, a very high level of accuracy and high resolution can be achieved. Especially with slow processes the resolution is limited primarily by the '■ storage capacity of the digital counter * · used ·
Weitere Einzelheiten und Vorzüge der erfindungsgemäßen · Schaltungsanordnung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung hervor, Es' zeigen Figo 1 das Schaltbild einer ersteren Ausführungsform der Erfindung mit digitaler Meßwerterfassuhg, Fig« 2 eine schematischet Darstellung des Meßtrorganges in Diagrammform und Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für Analoganzeige, wobei nur der von der Ausführung der Fig» 1 abweichende Schaltungsteil dargestellt ist. Further details and advantages of the invention The circuit arrangement is based on the description below of exemplary embodiments on the basis of the drawing, It ' Fig. 1 shows the circuit diagram of a former embodiment of the invention with digital Meßwerterfassuhg, Fig «2 a Schematic representation of the Meßtrorganges in diagram form and FIG. 3 the circuit diagram of a second embodiment of the Circuit arrangement according to the invention for analog display, only that part of the circuit which differs from the embodiment in FIG. 1 is shown.
Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Sägezahngenerator 1, der eine an sich bekannte Viersohiohtdiodensehaltung 2 mit einem Transistor 3 als Ladewiderstand enthält» Dem Transistor 3 ist ein regelbarer Arbeitswiderstand 4 zugeordnet. Mit 5 ist der Eingang des Sägezahngenerators 1 bezeichnet, Dem Sägezahngenerator 1 ist ein Impedanzwandler 6 und diesem ein an sich bekannter Spannungskomparator 8 mit einem Eingang für die zu integrierende Spannung 9 nachgeschaltet» 7 bezeichnet die zum Spannungsvergleich-hereingezogene Sägezahnspannung» Dem Spannungskomparator 8 folgt ein UND-Gatter 12 und • diesem ein Digitalzähler 15. Am zweiten Eingang des UND-Gatters 12 liegt eine frequenzkonstante Spannung 11. Integrationsgrenzen in Form eines lechteokimpulses 14 sind entweder über einen dritten Eingang des UND-Gatters 12 oder über das Tor des Digitalzählers 15 einleitbar. Mit 10 ist die vom Spannungskomparator 8 ausgehende frequenz- und breitenmodulierte .Impuls-j spannung und mit 13 eine der an den Digitalzähler 15 gelangenden Impulskolonnen bezeichnet«The circuit arrangement comprises a sawtooth generator 1, the one known per se Viersohiohtdiodensehaltung 2 with contains a transistor 3 as a charging resistor. The transistor 3 is assigned a controllable working resistor 4. With 5 the input of the sawtooth generator 1 is designated, Dem Sawtooth generator 1 is an impedance converter 6 and this one known voltage comparator 8 with an input for the voltage to be integrated 9 downstream »7 denotes the sawtooth voltage used for voltage comparison» The voltage comparator 8 is followed by an AND gate 12 and • this is followed by a digital counter 15. At the second input of the AND gate 12 is a constant frequency voltage 11. Integration limits in the form of a Lechteokimpulses 14 are either above a third input of the AND gate 12 or via the gate of the digital counter 15 can be initiated. With 10, the frequency and width modulated .Impuls-j emanating from the voltage comparator 8 voltage and with 13 one of the digital counters 15 Impulse columns denoted "
9 09803/0784 BAD9 09803/0784 BAD
Unter Bezugnahme auf Jig. 2 ergibt sich folgende Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungι Die Zerlegung der von der zu integrierenden Kurve y = f (x) (9 in Pig· 1 und 2) eingeschlossenen Fläche in Flächenstreifen von der Breite X1 (7) erfolgt durch den Sägezahngenerator 1. Die Flächenbreite x- der Streifen ist durch die Folgefrequenz dös Sägezahngenerators 1 gegeben, die in gewissen Grenzen durch Veränderung des Innenwiderstandes des ■ Transistors 3 und mittels seines regelbaren Arbeitswider-.Standes 4' eingestellt werden kann.Referring to Jig. 2 results in the following mode of operation of the circuit arrangement according to the invention. The breakdown of the area enclosed by the curve y = f (x) (9 in Pig · 1 and 2) to be integrated into strips of width X 1 (7) is carried out by the sawtooth generator 1. The The surface width x of the strip is given by the repetition frequency of the sawtooth generator 1, which can be set within certain limits by changing the internal resistance of the transistor 3 and by means of its adjustable working resistance 4 '.
Soferne die Integration nicht nach der Zeit sondern nach einer anderen Veränderlichen, z»B* einer Zeitfunktion χ a f (t) erfolgt, so wird diese Funktion an d*n Eingang 5 des Transistors 3 abgegeben und damit die Streifenbreite x^ in die entsprechende Abhängigkeit von der Funktion χ = f (t) gebracht. Die vom Sägezahngenerator 1 abgegebene und durch den Impedanzwandler 6 von unerwünschten Frequenzbeeinflussungen frei gehaltene Sägezahnspannung 7 wird im Spannungskomparator 8 mit der zu integrierenden Funktion y = f(x) (9) verglichen. Als Spannungskomparator kann im einfachsten Fall ein Schmitt-Träger verwendet werden, wobei die Rückstellung durch die abfallende Flanke des Sägezahnes erfolgt. Der Spannungskomparator 8 liefert somit eine frequenz- und breitenmodulierte Impulsspannung 10 in Form von Rechteckimpulsen» Diese entsprechen in ihrer Breite B jeweils der Amplitude y„ der Funktion y » f (x) im Abstand χ · Während der Dauer B des / leohteokimpulses 10 wird die frequenzkonstante Spannung 11As long as the integration is not based on time but according to another variable, for example a time function χ a f (t) takes place, this function is applied to d * n input 5 of the transistor 3 and thus the strip width x ^ brought into the corresponding dependence on the function χ = f (t). The output from the sawtooth generator 1 and through The sawtooth voltage 7, which is kept free of undesired frequency influences on the impedance converter 6, is used in the voltage comparator 8 is compared with the function y = f (x) (9) to be integrated. As a voltage comparator, in the simplest case a Schmitt carrier can be used, the reset being effected by the falling flank of the saw tooth. The voltage comparator 8 thus provides a frequency and width modulated pulse voltage 10 in the form of square pulses »these correspond in their width B to the amplitude y "der Function y »f (x) at a distance χ · During the duration B of / leohteokimpulses 10 becomes the frequency constant voltage 11
90 9803/0 7 8/;90 9803/0 7 8 /;
als Zählfrequenz über das UND-Gatter 12 an den Digitalzähler 15 geleitet. Der Breite Bn der Rechteokimpuise 10 entspricht die Anzahl N der Zählfrequenz 1.1'und es gilt Hn « y_.und ιέ =%n. passed as a counting frequency via the AND gate 12 to the digital counter 15. The width B n of the right pulses 10 corresponds to the number N of the counting frequency 1.1 'and H n «y_. And ιέ =% n .
Der Zähler 15 zählt summierend die Impulskolonnen 13 undThe counter 15 counts the pulse columns 13 and 13 by adding up
bildet damit das Integral der Funktion y = f(x)· Der Torimpuls 14 mit der-Dauer χ = n- bis χ = η liefert die Integrationegrenzen, indem er den Zähler 15 während dieser Zeit für den Zählvorgang freigibt. Bei Zählern ohne Torsteuerung wird der Torimpuls 1£ an den dritten Eingang 16 des UND-Gatters 12 gegeben· forms the integral of the function y = f (x) · the gate pulse 14 with the duration χ = n- to χ = η provides the integration limits, by releasing the counter 15 for the counting process during this time. For meters without gate control, the Gate impulse 1 £ given to the third input 16 of the AND gate 12
Zur Analogdarstellung des zu integrierenden Vorganges wird der Digitalzähler 15 durch den in Fig. 3 dargestellten Schaltungsteil ersetzt. Den Eingang dieses Schaltungsteiles bilden eine Diode 17 mit nachfolgendem Widerstand 18, der mit dem Eingang eines Feldeffekttransistors 20 verbunden ist. Mit dem Widerstand 18 liegt ein über einen Taster 24 entladbarer Kondensator 19 in Serie. Dem Feldeffekttransistor 20 ist eine Meßbrücke mit Drehspulmeßwerk 21 und Potentiometer 23 zur Nullpunkteinstellung .nachgeschaltet. Die Integrationsspannung für oszillographische Aufzeichnungen ist am Arbeitswiderstand 22 des Feldeffekt-Transistors 20 entnehmbar. -For the analog representation of the process to be integrated, the digital counter 15 is represented by the one shown in FIG Circuit part replaced. The input of this circuit part form a diode 17 followed by a resistor 18 which is connected to the input of a field effect transistor 20. With the resistor 18 is a via a button 24 discharged Capacitor 19 in series. The field effect transistor 20 is a Measuring bridge with moving coil measuring mechanism 21 and potentiometer 23 for Zero point adjustment. Downstream. The integration tension for oscillographic recordings is at the working resistance 22 of the field effect transistor 20 can be removed. -
Die Funktion des beschriebenen Sohaltungsteiles ist folgende: Die vom UND-Gatter 12 kommenden Impulekolonnen 13 laden über die Diode 1.7 und den Widerstand 18 den Kondensator 19 auf. Die Ladung dee Kondensators 19, die der Impulsanzahl proportional ist, wird über den Feldeffekt-Transistor 20 mitThe function of the so-holding part described is the following: The pulse columns 13 coming from the AND gate 12 charge the capacitor 19 via the diode 1.7 and the resistor 18. The charge of the capacitor 19, that of the number of pulses is proportional, is via the field effect transistor 20 with
909803/0,784909803 / 0.784
dem Drehspulmeßwerk 21 in Brückensehaltung gemessen» Die. am Arbeitswiderstand. 22 entnehmbare Ladespannung kann zur Darstellung des Integrationsvorganges einem Oszillographen zugeführt werden. Die Ladung am Kondensator 19 wird naoh erfolgter Messung durch den Taster 24 abgeführt»the moving coil measuring mechanism 21 measured in bridge position »The. at the Work resistance. 22 removable charging voltage can be used for illustration of the integration process are fed to an oscilloscope. The charge on the capacitor 19 will soon take place Measurement carried out by button 24 »
Bei vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß eine schwankende Nüllinie bei der Integration mitberücksichtigt wirde Bei den vorstehend beschriebenen Sehaltungsanordnungen kann dies durch Vorschaltung eines Differenzverstärkers vor den Eingang 9 erfolgen, wobei die zu integrierende Spannung an die beiden Eingänge des Differenzverstärkers angeschlossen wird«In many applications it is necessary that a fluctuating zero line be taken into account in the integration In the above-described postural arrangements this can be done by connecting a differential amplifier in front of the input 9, the to be integrated Voltage connected to the two inputs of the differential amplifier will"
λ η ο ηο / η -π ο ι λ η ο ηο / η -π ο ι
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